電廠繼電器老化原因分析及管理對(duì)策

趙立婷+孫帥

摘 要：通過對(duì)分析國(guó)內(nèi)外電廠繼電器老化現(xiàn)象及老化原因，得出繼電器老化的影響因素，結(jié)合電廠實(shí)際，提出我廠繼電器應(yīng)開展老化管理評(píng)估及剩余壽命評(píng)估，吸取國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)給出老化管理辦法。

關(guān)鍵詞：繼電器；老化；剩余壽命評(píng)估

1.前言

電廠繼電器運(yùn)行到一定年限將出現(xiàn)老化現(xiàn)象，甚至庫存的繼電器備品也出現(xiàn)老化現(xiàn)象，這將造成繼電器可靠性下降或不可用，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，分析繼電器老化的原因，找出老化管理方法是十分必要的。

2.老化因素

繼電器的老化主要表現(xiàn)為接觸電阻升高、觸點(diǎn)接觸不良及動(dòng)作失靈等。主要是繼電器的運(yùn)行環(huán)境影響所致。這些環(huán)境因素包括濕度和溫度等。根據(jù)國(guó)外的繼電器老化研究成果以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出結(jié)論，影響非密封型繼電器可靠性的環(huán)境因素主要是濕度。尤其電廠處于海洋腐蝕性大氣環(huán)境中，較高的濕度使繼電器觸點(diǎn)氧化腐蝕，甚至影響到線圈的絕緣性能。

3.老化現(xiàn)象

繼電器出現(xiàn)老化，表現(xiàn)為繼電器外殼內(nèi)部變?yōu)椴枭?、繼電器外殼內(nèi)部有水滴附著、繼電器透明外殼顏色變黃三種現(xiàn)象。繼電器出現(xiàn)不同老化現(xiàn)象，其原因是不同的。

1）繼電器外殼內(nèi)部變?yōu)椴枭?/p>

由于開關(guān)負(fù)載時(shí)發(fā)生電弧放電，有機(jī)燃?xì)猓ɡ^電器的構(gòu)成材料等產(chǎn)生的）生成的碳、接點(diǎn)粉末在外殼內(nèi)表飛散堆積，發(fā)生變色。根據(jù)保護(hù)外殼內(nèi)部發(fā)生的變色來判斷維護(hù)時(shí)間的情況下，因繼電器的使用條件不同，應(yīng)根據(jù)使用者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

2）繼電器外殼內(nèi)部有水滴附著

在梅雨季節(jié)或臺(tái)風(fēng)季節(jié)會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。繼電器用金屬、塑料制作而成，塑料含有一定程度的水分。線圈線的間隙等內(nèi)也含有毛細(xì)管現(xiàn)象形成的水分。在繼電器冷卻時(shí)如果給線圈通電，線圈的溫度就會(huì)升高，釋放出這些水分。

3）繼電器透明外殼顏色變黃

這是由于開關(guān)負(fù)載時(shí)發(fā)生電弧放電，產(chǎn)生臭氧（三個(gè)氧原子結(jié)合后的產(chǎn)物，用于除臭、殺菌等），與氮元素和水發(fā)生反應(yīng)，生成硝酸。一般稱作硝酸反應(yīng)。特別是對(duì)電弧連接時(shí)間較長(zhǎng)的直流離合器、斷路器進(jìn)行開關(guān)時(shí)，不僅外殼變?yōu)辄S色，還會(huì)腐蝕金屬零件（銅生成顏色鮮艷的綠色硝酸銅、鍍鎳生成水色的硝酸鎳）。對(duì)這些負(fù)載進(jìn)行開關(guān)時(shí)，請(qǐng)?jiān)谪?fù)載上連接浪涌吸收裝置。在這些負(fù)載的浪涌吸收裝置中，電阻器較為有效。MMX型或G7X型在接點(diǎn)附近設(shè)置貫通孔，可降低臭氧濃度。

4.老化機(jī)理

影響繼電器觸點(diǎn)閉合的因素（包括觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、材料、表面狀況及閉合速度等）非常復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料和內(nèi)、外部經(jīng)驗(yàn)反饋，繼電器主要的老化失效機(jī)理如下：

4.1氧化腐蝕

4.1.1濕度影響

配電盤電氣廠房雖然配備空調(diào)等設(shè)施，但我廠全年的平均濕度仍高達(dá)50%～60%，每年1、2月份返潮期的濕度更加嚴(yán)重。由于濕度的原因，配電盤電氣廠房空氣中大量的水蒸氣在繼電器觸點(diǎn)電弧的高溫下會(huì)分解釋放出氫和氧，氧元素的存在會(huì)促進(jìn)觸頭金屬表面膜的形成，造成觸點(diǎn)表面融蝕、凹凸不平、電接觸不良、接觸面積減少、接觸電阻增加及電流密度劇增等，最終導(dǎo)致繼電器加速老化失效。另外，水蒸氣附著在觸點(diǎn)表面會(huì)形成一層水膜，并在觸點(diǎn)表面的微孔中形成微小溶池，加強(qiáng)觸點(diǎn)表面的電化學(xué)反應(yīng)，從而加劇觸點(diǎn)侵蝕。

4.1.2溫度影響

繼電器運(yùn)行環(huán)境溫度是指控制柜內(nèi)繼電器附近的溫度。由于繼電器工作時(shí)不僅線圈會(huì)發(fā)熱，同時(shí)觸點(diǎn)斷開或閉合時(shí)產(chǎn)生的電弧也會(huì)發(fā)熱，其熱量與工作時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，難以測(cè)量和計(jì)算；同時(shí)，周圍其他設(shè)備的發(fā)熱也使控制柜內(nèi)的溫度上升，此時(shí)繼電器運(yùn)行環(huán)境溫度升高并可能超出繼電器適宜的工作溫度范圍。根據(jù)廠家建議，繼電器適宜的運(yùn)行溫度在20～30℃之間。當(dāng)周圍環(huán)境溫度在30℃以上升高10℃時(shí)，電子元件產(chǎn)品壽命會(huì)減少一半；當(dāng)周圍環(huán)境溫度在30℃以上升高20℃時(shí)，產(chǎn)品壽命就會(huì)減少到原壽命的1/4。繼電器運(yùn)行環(huán)境溫度超上限會(huì)加速觸點(diǎn)的氧化及表面膜電阻的形成，引起接觸電阻增大或觸點(diǎn)時(shí)斷時(shí)通。同時(shí)，高溫使觸點(diǎn)焊弧困難、腐蝕加劇以及容易產(chǎn)生粘結(jié)故障。

4.2機(jī)械磨損

繼電器吸合或釋放時(shí)的觸點(diǎn)電弧會(huì)引起金屬遷移和氧化，使觸點(diǎn)表面磨損，進(jìn)而引起觸點(diǎn)接觸不良或釋放不開。觸點(diǎn)磨損還會(huì)導(dǎo)致彈跳時(shí)間的變長(zhǎng)，出現(xiàn)多次長(zhǎng)彈跳的觸點(diǎn)易失效。觸點(diǎn)彈跳會(huì)使其表面晶粒疲勞、松動(dòng)甚至脫落，從而加速機(jī)械磨損。

4.3 電磨損

繼電器工作時(shí)產(chǎn)生的電弧溫度可以達(dá)到金屬材料的熔點(diǎn)，使觸點(diǎn)金屬由固態(tài)經(jīng)液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。氣態(tài)金屬因蒸發(fā)而擴(kuò)散，液態(tài)金屬因接觸、碰撞、擠壓而不斷地四處飛濺，使觸點(diǎn)原先的形狀不斷地發(fā)生改變，且厚度減薄。如果遇到惡性負(fù)載時(shí)繼電器觸點(diǎn)電弧放電時(shí)間更長(zhǎng)，電磨損更嚴(yán)重。

4.4有機(jī)氣體腐蝕

繼電器周圍介質(zhì)（包括大氣）中產(chǎn)生和釋放的硫、堿等腐蝕性氣體或蒸汽使觸點(diǎn)表面產(chǎn)生有害氣體絕緣膜；由于線圈發(fā)熱，繼電器工作時(shí)多種有機(jī)材料的蒸發(fā)，也會(huì)使其內(nèi)部有機(jī)氣體的濃度增大。有機(jī)氣體會(huì)加速觸點(diǎn)的腐蝕效應(yīng)，導(dǎo)致觸點(diǎn)的接觸電阻增大或時(shí)斷時(shí)通，造成繼電器失效。

4.5絕緣老化

因濕度、電場(chǎng)、溫度、機(jī)械力及周圍環(huán)境等因素的長(zhǎng)期作用，繼電器線圈絕緣在運(yùn)行過程中質(zhì)量逐漸下降、結(jié)構(gòu)逐漸損壞。繼電器線圈絕緣老化最終會(huì)導(dǎo)致繼電器失效，其速度與絕緣體的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、運(yùn)行環(huán)境、所受電壓和負(fù)荷情況等有密切關(guān)系。廠房環(huán)境的濕度對(duì)絕緣材料耐受表面放電的性能有很大影響。如果水分侵入絕緣內(nèi)部，將會(huì)造成絕緣電損耗增加或擊穿電壓下降。

4.6電磁干擾

電磁繼電器依靠磁力進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)控制柜內(nèi)繼電器與磁干擾源之間的距離不足時(shí)，可能會(huì)使線圈磁場(chǎng)受到干擾，從而影響電磁繼電器動(dòng)作的可靠性。由于繼電器的抗干擾能力有限，所以控制柜中多只繼電器并排安裝時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大其間隔。

5.老化管理

根據(jù)上述分析和國(guó)內(nèi)外電廠繼電器老化管理的經(jīng)驗(yàn)，提出如下的繼電器老化管理流程，按操作順序依次為：

1）通過3級(jí)清單來篩選、識(shí)別可能導(dǎo)致緊急停機(jī)、停堆或因維修需強(qiáng)迫停機(jī)、降負(fù)荷的繼電器，并建立繼電器清單。對(duì)清單中的繼電器逐一分析，如進(jìn)行電路原理分析；確認(rèn)敏感繼電器在電路中的作用，并將敏感繼電器的清單錄入老化數(shù)據(jù)庫。

2）根據(jù)已建立的繼電器電子元器件清單，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)反饋，有針對(duì)性的開展繼電器的老化機(jī)理分析工作。

3）根據(jù)關(guān)鍵敏感繼電器的老化機(jī)理分析結(jié)論，初步給出繼電器失效的時(shí)間，根據(jù)這個(gè)時(shí)間來制定老化管理的周期。

4）在繼電器運(yùn)行一定年限后，從大修定期檢驗(yàn)中收集清單中異常繼電器的數(shù)據(jù)，并記錄在相應(yīng)的老化數(shù)據(jù)庫。對(duì)于快到壽期的繼電器，需要提前2～3 a進(jìn)行抽檢，通過對(duì)其電子元器件進(jìn)行加速老化試驗(yàn)來評(píng)價(jià)繼電器的剩余壽命。

5）根據(jù)繼電器老化分析結(jié)果和預(yù)定的周期，制定具體的老化處理措施。

6.結(jié)論

根據(jù)目前其他電廠對(duì)繼電器老化管理的辦法及存在的問題，我廠應(yīng)吸取經(jīng)驗(yàn)，盡快開展對(duì)所有繼電器的老化管理評(píng)估及剩余壽命評(píng)估，減少繼電器故障帶來的風(fēng)險(xiǎn)，為設(shè)備的安全使用和我廠經(jīng)濟(jì)效益之間的最佳平衡提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭天丕“繼電器制造工藝使用”電子工業(yè)出版社2002年

[2] 楊靜.電磁繼電器的使用與可靠性研究.中國(guó)科技信息，2005（14）：9.

[3]韓英歧.電磁式繼電器的作用可靠性[J].電子元器件應(yīng)用，2001（5）：14-18.

[4]Zhuan-Ke Chen，Koichiro Sawa.Effect of oxide films and arcduration chracteristics on Ag contact resistance behavior[J].IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology-part，1995，18（2）.

[5]黃衛(wèi)剛 景建國(guó).電站繼電器老化及可靠性分析.大亞灣電站